Способ получения контактных проводов из сплавов на основе меди (варианты)

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к изготовлению длинномерных изделий методом непрерывного литья с прокаткой, и может быть использовано для получения бесстыковых контактных проводов из сплавов на основе меди. Сущность: по первому варианту непрерывная заготовка из сплавов на основе меди с содержанием магния 0,04 - 0,34% или олова вместе с одним или несколькими элементами, имеющими большее сродство к кислороду, чем у олова, в суммарном количестве не более 0,12%, полученная при скорости охлаждения в кристаллизаторе более 15^oС/с, прокатывается на катанку. Прокатка завершается с температурой раската не выше 400°С. По второму варианту непрерывная заготовка из сплавов на основе меди с содержанием магния 0,4 - 0,25% и фосфора или железа 0,8 - 0,12% и фосфора (содержание фосфора при этом должно соответствовать его стехиометрическому соотношению с магнием или железом в их фосфидах), полученная при скорости охлаждения в кристаллизаторе более 15°С/с, прокатывается на катанку с температурой деформации, соответствующей температурам закалки сплавов. Прокатка завершается с температурой раската не выше 400^oС, после чего проводится перестаривание катанки при 500 - 525°С в течение 1,0 - 1,5 ч. Заключительная операция - формирование профиля провода со степенью деформации 56 - 60%. Способ позволяет получить провода с электропроводностью, равной 85 - 95% от электропроводности чистой меди, и с механическими свойствами в 1,5 - 2 раза выше. 2 с.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии изготовления длинномерных изделий методом непрерывного литья с прокаткой, и может быть использовано для получения контактных проводов из сплавов на основе меди.

Изделия указанного назначения должны отвечать комплексу разнообразных требований как по механическим и электротехническим свойствам, так и по износостойкости и термостойкости.

Поскольку чистая медь не обладает высокими механическими свойствами, то традиционно для изготовления контактных проводов используются сплавы на основе меди, получаемые введением в расплав меди добавок - легирующих элементов, призванных повышать механические свойства меди. Однако при этом основное свойство меди - электропроводность неизбежно снижается.

Как показала практика, достижение указанного выше комплекса свойств зависит от качества жидкого металла (соблюдение марочного состава, равномерность распределения легирующих по объему расплава, отсутствие примесей), от условий формирования непрерывнолитой заготовки (структура металла, равномерность свойств по длине, отсутствие литейных дефектов), а также от технологии пластической деформации и термической обработки, в связи с чем процесс получения проводов является неразрывным и объединение всех стадий в описываемом изобретении естественно и не нарушает требования единства, тем более что процессы отдельных стадий влияют на технологические особенности других стадий процесса.

Немаловажным является распределение легирующих и по длине литой заготовки, выходящей из кристаллизатора, которая обеспечивается соответствующими методами введения лигатур в расплав и их состоянием.

Известен способ получения катанки из сплавов на основе меди, согласно которому расплав разливают в изложницы, и полученные слитки прокатывают в валках стана до требуемого размера заготовки-катанки, а затем подвергают волочению на профиль провода (1).

Продукция, получаемая этим способом, характеризуется рядом принципиальных недостатков, которые трудно устранить.

В частности, плохая поверхность слитков и характерная для них структура металла неблагоприятно сказываются на процессе прокатки. Длительный процесс прокатки с невысокой скоростью остывания раската вызывает появление крупнозернистой структуры, что приводит к низким механическим свойствам катанки.

Технология не обеспечивает получения катанки большой длины, что вызывает необходимость соединения концов бухт при производстве токопроводов.

Наиболее близким по технической сущности к описываемому изобретению является способ получения контактных проводов из сплавов на основе меди, согласно которому в расплав меди вводят необходимые легирующие элементы, в частности, имеющие большее сродство к кислороду, чем медь (магний, фосфор, титан и др. ). Полученный расплав подают в кристаллизатор и осуществляют непрерывное литье заготовки, которую затем прокатывают на катанку и осуществляют формирование профиля провода волочением катанки (2).

Характерной особенностью известного способа является ограничение содержания легирующих на низком уровне (до 0,06% суммарно), а также жесткие требования по скорости охлаждения расплава при кристаллизации, вызванные стремлением избежать закалки сплава, являющейся, как указано в источнике (2), причиной низкой электропроводности получаемых проводов.

Указанные особенности известного способа определяют его существенные недостатки, сводящиеся к тому, что процесс трудоемок, а получаемый провод характеризуется недостаточно высокими механическими показателями (прочность, износо- и термостойкость).

Задачей изобретения является устранение присущих прототипу недостатков и получение контактных проводов с высокими механическими свойствами - прочностью, износостойкостью, термостойкостью при сохранении электропроводности до 95% от электропроводности чистой меди.

Указанная задача по первому варианту решена тем, что в известном способе получения контактных проводов из сплавов на основе меди, включающем введение в расплав меди легирующих элементов, имеющих большее сродство к кислороду, чем у меди, подачу расплава в кристаллизатор, кристаллизацию непрерывнолитой заготовки, ее прокатку на катанку и последующее формирование профиля провода, в расплав вводят магний в количестве 0,04-0,34%, или олово вместе с одним или несколькими элементами, имеющими большее сродство к кислороду, чем у олова, в суммарном количестве не более 0,12%, в процессе кристаллизации расплав охлаждают со скоростью более 15^oC/с, а прокатку заготовки ведут с обеспечением температуры раската в последней клети стана не выше 400^oC.

Согласно второму варианту задача решена тем, что в известном способе получения контактных проводов из сплавов на основе меди, включающем введение в расплав меди легирующих элементов, имеющих большее сродство к кислороду, чем у меди, подачу расплава в кристаллизатор, кристаллизацию непрерывнолитой заготовки, ее прокатку на катанку и последующее формирование профиля провода, в расплав вводят магний в количестве 0,04-0,25% и фосфор в количестве, соответствующем его стехиометрическому соотношению с магнием в его фосфиде, или железо в количестве 0,08-0,12% и фосфор в количестве, соответствующем его стехиометрическому соотношению с железом в фосфиде Fe₂P, в процессе кристаллизации расплав охлаждают со скоростью более 15^oC/с, прокатку заготовки ведут с обеспечением температуры раската в последней клети стана не выше 400^oC, а полученную катанку подвергают перестариванию при температуре 500-525^oC в течение 1,0-1,5 часов и осуществляют формирование профиля провода со степенью деформации 56-60%.

Указанные варианты решения задачи направлены на получение одного и того же технического результата - получение проводов, характеризующихся высокими механическими свойствами (прочность и износостойкость) одновременно с достаточно высокой электропроводностью.

При разработке параметров способа получения контактных проводов методом непрерывного литья с последующей прокаткой учитывалось то обстоятельство, что сплавы на основе меди разделяются на две группы: сплавы, не подвергаемые дисперсионному упрочнению, и дисперсионно-твердеющие сплавы, что нашло отражение, соответственно, в первом и во втором пунктах формулы изобретения.

Способ получения контактных проводов из сплавов на основе меди по первому варианту осуществляется следующим образом.

В расплав меди вводят лигатуры в виде ленты или гранул из спеченной порошковой меди с добавками легирующих элементов для получения сплава меди с содержанием магния 0,04-0,34% или олова вместе с одним или несколькими элементами, имеющими большее сродство к кислороду, чем у олова, с суммарным содержанием элементов не более 0,12%.

Расплав подается в кристаллизатор, где за счет интенсивного охлаждения - со скоростью более 15^oC/с он кристаллизируется и выходит их кристаллизатора в виде непрерывнолитой твердой заготовки.

При скоростях охлаждения менее 15^oC/с заготовка не успевает полностью закристаллизоваться на выходе из кристаллизатора, в результате чего на ней образуются горячие трещины, являющиеся литейным дефектом.

Полученная непрерывнолитая заготовка затем направляется в стан для горячей прокатки, при этом, исходя из условия получения нерекристаллизованной структуры, необходимо ограничить температуру раската в последней клети стана температурой рекристаллизации сплавов, которая для используемых в первом варианте изобретения составов составляет 400^oC.

Полученная катанка затем доводится до требуемого профиля и размера, для чего подвергается холодной деформации с требуемой степенью обжатия, которая может составлять 56-60%, что вызвано тем, что используемые в настоящее время прокатные станы для производства катанки, идущей в дальнейшем на производство контактных проводов, в силу своих технологических особенностей позволяют получать катанку с диаметром 18-20 мм, тогда как типоразмеры проводов значительно отличаются от указанного.

В связи с этим для доведения катанки до требуемого профиля провода необходимы различные обжатия: для сечений меньшего профиля необходимы большие обжатия, а для сечений большего - меньшие. Установлено, что диапазон обжатий, необходимых для получения требуемых параметров проводов, должен составлять 56-60%.

Согласно второму варианту изобретения способ осуществляется следующим образом.

Получают сплав с содержанием магния 0,04-0,25% и фосфора, количество которого соответствует его стехиометрическому соотношению с магнием в его фосфиде, или железа 0,08-0,12% и фосфора, количество которого соответствует его стехиометрическому соотношению с железом в его фосфиде Fe₂P, методом, аналогичным описанному выше, а полученный сплав подают в кристаллизатор, где при охлаждении со скоростью более 15^oC/с получают непрерывнолитую твердую заготовку.

Полученная заготовка направляется в стан горячей прокатки с температурой, соответствующей максимальной температуре закалки, характерной для сплава заданного состава и составляющей 800-900^oC.

Учитывая, что сплавы по этому варианту дисперсионно-твердеющие, при проведении горячей прокатки с целью получения заданной структуры сплава в твердом состоянии параметры прокатки должны удовлетворять следующим условиям: - получение к концу горячей прокатки нерекристаллизованной структуры; - предотвращение возможной рекристаллизации после окончания прокатки; - степень насыщенности твердого раствора должна быть необходимой для последующей стадии перестаривания.

Поскольку температура рекристаллизации для сплавов, используемых в изобретении, превышает 400^oC, то указанные условия будут соблюдены при ограничении температуры раската в последней клети стана - не выше 400^oC. Такой режим обеспечивается интенсивностью подачи охлаждающей эмульсии и ее температурой.

Дополнительным обстоятельством, учтенным в изобретении при ограничении температуры раската, является то, что процесс деформации раската в последней клети стана при низких температурах вызывает появление наклепа, который положительно сказывается на последующей стадии проведения перестаривания катанки, т.к. позволяет проводить перестаривание при более низких температурах и с меньшей выдержкой во времени.

Поскольку катанка в результате интенсивного охлаждения приобрела закаленную структуру, характеризующуюся наличием пересыщенного раствора, повышающего электросопротивление сплава, необходимо проведение операции перестаривания, приводящей к распаду пересыщенного твердого раствора и, тем самым, к снижению электросопротивления получаемого провода.

При выборе температуры перестаривания учитывалось, что, с одной стороны, необходима наибольшая температура и выдержка для протекания распада твердого раствора, но при этом неизбежен рост зерна, который приводит к снижению механических свойств сплава.

Учитывая эти противоречивые обстоятельства было установлено, что оптимальными параметрами перестаривания являются температура 500-525^oC и продолжительность выдержки 1,0-1,5 часа.

Меньшая выдержка не обеспечивает полноту процесса распада твердого раствора, а большая технологически не оправдана.

Завершающей стадией способа является формообразование требуемого профиля провода, обеспечиваемое со степенью деформации 56-60%.

Пример 1.

Из сплава с содержанием олова 0,06% и бора 0,005% получили непрерывнолитую заготовку, имеющую на выходе из кристаллизатора температуру 850^oC, и без дополнительного нагрева заготовку прокатали в стане с получением катанки, имеющей на выходе температуру 380^oC. Временное сопротивление растяжению у катанки 32 кгс/мм². Полученный из катанки провод характеризовался электросопротивлением 0,0179 Ом·мм²/м и временным сопротивлением на растяжение 39 кг/мм².

Пример 2.

Из сплава с содержанием железа 0,1% и фосфора 0,027% при охлаждении расплава со скоростью 25^oC/с получили твердую заготовку с температурой 625^oC на выходе из кристаллизатора. После подогрева до температуры 860^oC осуществили прокатку катанки, имеющую температуру на выходе из последней клети 350^oC. Катанка имела электросопротивление 0,0274 Ом·мм²/м. После старения при температуре 525^oC в течение 1,5 часов и формирования провода со степенью деформации 60% полученный провод имел электросопротивление 0,022 Ом·мм²/м и прочность 42 кгс/мм².

Изобретение обеспечивает достаточно высокую электропроводность контактных проводов одновременно с высокими механическими свойствами (износостойкостью и прочностью), позволяющими использовать провод в эксплуатации.

Источники информации 1. Машины непрерывного литья металлов и литейно-прокатные агрегаты. Труды ВНИИМЕТМАШа. Сборник N 41. -М: 1975, с. 17-28.

2. Авторское свидетельство СССР N 508330, кл. B 22 D 11/00, опубл. 22.04.76.

Формула изобретения

1. Способ получения контактных проводов из сплавов на основе меди, включающий введение в расплав меди легирующих элементов, имеющих большее средство к кислороду, чем у меди, подачу расплава в кристаллизатор, кристаллизацию непрерывнолитой заготовки, ее прокатку на катанку и последующее формирование профиля провода, отличающийся тем, что в расплав вводят магний в количестве 0,04 - 0,34% или олово вместе с одним или несколькими элементами, имеющими большее средство к кислороду, чем у олова, в суммарном количестве не более 0,12%, в процессе кристаллизации расплав охлаждают со скоростью более 15^oC/с, а прокатку заготовки ведут с обеспечением температуры раската в последней клети стана не выше 400^oC.

2. Способ получения контактных проводов из сплавов на основе меди, включающий введение в расплав меди легирующих элементов, имеющих большее средство к кислороду, чем у меди, подачу расплава в кристаллизатор, кристаллизацию непрерывнолитой заготовки, ее прокатку на катанку и последующее формирование профиля провода, отличающийся тем, что в расплав вводят магний в количестве 0,04 - 0,25% и фосфор в количестве, соответствующем его стехиометрическому соотношению с магнием в его фосфиде, или железо в количестве 0,08 - 0,12% и фосфор в количестве, соответствующем его стехиометрическому соотношению с железом в фосфиде Fe₂P, в процессе кристаллизации расплав охлаждают со скоростью более 15^oC/с, прокатку заготовки ведут с обеспечением температуры раската в последней клети стана не выше 400^oC, а полученную катанку подвергают перестариванию при 500 - 525^oC в течение 1,0 - 1,5 ч и осуществляют формирование профиля провода со степенью деформации 56 - 60%.